基于模糊綜合評價的回采巷道支護參數(shù)設(shè)計

李 強

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司 ，山西 晉城 048000）

0 引 言

隨著我國煤礦巷道支護技術(shù)的不斷改革和發(fā)展，錨桿支護已然成為我國煤礦井下巷道的主要支護手段，這主要是由于采用錨桿支護具有支護效果好、安全度高、支護成本低、工人勞動強度低等優(yōu)勢[1]。錨桿支護技術(shù)的關(guān)鍵在于巷道支護參數(shù)的確定，然而支護參數(shù)的確定又取決于巷道圍巖狀況。巷道圍巖穩(wěn)定性評價是對巷道圍巖質(zhì)量和穩(wěn)定狀態(tài)進行分析的一種簡單且有效的方法，對巷道圍巖錯綜復(fù)雜的內(nèi)在關(guān)系以一種抽象、概括的圍巖分類形式來表示。相對于理論計算[2]和數(shù)值計算[3]的方法，綜合評價考慮的因素更多，分析過程更加靈活。特別是巷道圍巖穩(wěn)定性分析這類同時具有不確定性、隨機性和模糊性的問題，理論計算和數(shù)值計算的方法很難得到理想的結(jié)果，而模糊數(shù)學理論恰好是為解決這類問題而發(fā)展的。將模糊數(shù)學理論運用到巷道圍巖穩(wěn)定性綜合評價中，能夠很好地解決影響因素多，模糊性強的巷道圍巖穩(wěn)定性分類問題。所以本文提出模糊綜合評價法對巷道圍巖穩(wěn)定性進行分類，并根據(jù)分類結(jié)果提出對應(yīng)的指標參數(shù)設(shè)計。

2 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價法就是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，綜合考慮各個重要影響因素（指標）基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)總體所做評價[4]。其兩個重要概念就是指標集和評語集，指標集指所考慮的影響因素的集合；評語集指將指標劃分等級評判標準的集合。模糊數(shù)學綜合評價就是通過計算各指標對評語等級的隸屬度，再結(jié)合每個指標的重要程度，以加權(quán)求和的方法得到評價對象的綜合隸屬度，從而確定最終等級。其中隸屬度表示分類對象屬于該類別中的程度，是模糊數(shù)學的精髓。

設(shè)指標集為 U=｛u1,u2,…,um｝，評語集合為 V=｛v1,v2,…，vn｝，則指標 ui對抉擇等級 vj的隸屬度 rij，其是通過隸屬函數(shù)計算得到，這里選擇梯型分布函數(shù)[5]的隸屬度計算方法，這樣指標ui的單因素評價集ri，即ri是抉擇評語集合V上的模糊子集，ri={ri1,ri2,…,rin}。這樣，綜合m個指標的評價集就得到一個總的評價矩陣R。

R表示指標集合U到抉擇評語集合V的一個模糊關(guān)系。于是，綜合考慮個指標的貢重要程度得到模糊綜合分類模型為：

其中W=(w1,w2,…,wm)T(wi=1)為指標權(quán)向量，表示指標的相對重要性；bj（j=1,2,…,n）為評價對象對等vj的隸屬度，按照最大隸屬度原則，將評價對象歸屬到數(shù)值最大的bj所對應(yīng)的等級vj。

3 基于模糊綜合評價支護設(shè)計

3.1 工程背景簡介

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1302工作面位于玉溪井田南部，東西走向，大采高綜采工藝回采3#煤層。3#煤層位于山西組下部，緩傾斜煤層，傾角小于8°；埋深大約在500m～600m范圍，厚度在5.12～7.20m范圍，平均5.85m，純煤厚度4.62m～7.00m，平均5.71m，結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層底板向上0.95m處有一平均厚度為0.28m的較穩(wěn)定泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸層，除這一較穩(wěn)定夾矸層外，3#煤層內(nèi)還有其他零星夾矸。3#煤層底板均為泥巖，下距15#可采煤層82.80m～84.54m，平均84.34m。工作面煤層及頂?shù)装鍘r性描述見圖1。

圖1 工作面柱狀圖

3.2 模糊綜合評價結(jié)果

依據(jù)《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定行分類方案》，選擇巷道頂板強度（σt）、煤層強度（σc）、底板強度（σb）、巷道埋深（H）、巖體完整性指數(shù)（D）、直接頂厚度與采高的比值（N）和護巷煤柱寬度（X）等7個因素作為評價指標，將巷道圍巖穩(wěn)定性劃分為5個等級，指標等級劃分標準見表1所示。結(jié)合玉溪煤礦1302工作面基本情況，總結(jié)出各指標取值見表2。

表1 指標分級標準

表2 1302工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定性評價指標取值

要準確得到模糊評價矩陣，就要更為準確的判斷每個因子相較于各層的隸屬函數(shù)，通過計算得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道的單因素評價矩陣為：

利用層次分析法[6]得到指標權(quán)重為：W=(0.11,0.21,0.03,0.12,0.19,0.3,0.11)T。根據(jù)公式（2）得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道綜合隸屬矩陣為：

根據(jù)最大隸屬度原則，得出玉溪煤礦1302工作面回采巷道屬于Ⅳ類不穩(wěn)定煤層巷道。

3.3 支護參數(shù)設(shè)計

根據(jù)煤巷錨桿支護技術(shù)規(guī)范推薦的Ⅳ類巷道錨桿基本支護形式，結(jié)合1302工作面回采巷道的生產(chǎn)技術(shù)條件，綜合考慮巷道安全穩(wěn)定、支護成本、巷道掘進速度。最終確定玉溪煤礦1302工作面輔回采巷道支護方案為：頂板和巷幫選用φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其規(guī)格為φ22×2400mm，頂板錨桿間距為900mm，排距為900mm；兩幫錨桿間距為1000mm，排距為900mm。

3.4 支護效果驗證

錨桿支護參數(shù)對巷道支護效果最直觀表現(xiàn)是巷道斷面的變形情況，因此選擇FLAC數(shù)值模擬軟件，通過建立支護前后數(shù)值計算模型計算巷道圍巖移近量來驗證上文得到的錨桿支護參數(shù)合理性。依據(jù)1302工作面工作面回采巷道地質(zhì)及生產(chǎn)條件，取40m×30m的范圍為計算模型，網(wǎng)格劃分為149×139=20711個單元，建立玉溪煤礦1302工作面回采巷道采用上文支護方案前后的圍巖變形破壞特征分析數(shù)值計算模型，如圖2所示。

圖2 支護前后計算模型

圖3 支護前后垂直位移云圖

圖4 支護前后水平位移云圖

將支護前與采用支護后模擬得到的巷道的變形情況進行對比分析，可知提出的支護方案能夠有效保證1302工作面回采巷道圍巖的穩(wěn)定，顯著地降低了巷道斷面收縮變形。從模擬結(jié)果變形圖中可以看出，巷道支護前，頂?shù)装遄畲笠平繛?010mm，兩幫最大移近量為836mm；巷道支護以后頂?shù)装遄畲笠平繛?39mm，兩幫最大移近量為468mm，即巷道支護后頂?shù)装逡平拷档土?6.6%，兩幫移近量降低了61.1%，說明巷道圍巖變形得到了顯著控制，詳見圖3～圖4。

4 結(jié) 論

1）通過模糊綜合評價法得到玉溪煤礦1302工作面回采巷道屬于Ⅳ類不穩(wěn)定巷道。

2）通過數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，玉溪煤礦1302工作面回采巷道圍巖變形量較大，巷道圍巖穩(wěn)定性較差，所以將該巷道劃分為Ⅳ類不穩(wěn)定巷道是合理的，則運用模糊綜合評價對巷道圍巖進行分類的方法是可靠的。

3）通過數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，提出的支護方案能夠有效保證1302工作面輔助運輸順槽圍巖的穩(wěn)定，說明基于模糊綜合評價方法的支護參數(shù)設(shè)計是可行的。